LNG储运设施用低温钢开发技术专题
编者注：液化天然气通常储存在-163°C的低温下。 用于LNG储运设施的材料通常包括因瓦合金、奥氏体不锈钢和9%Ni钢。 与奥氏体不锈钢相比，9%Ni钢使用更加安全，而且随着世界各地的LNG储罐不断向大型化发展，相应地，9%Ni钢板的厚度要求也在不断提高，有的甚至达到100毫米。 在对LNG储运关键材料钢材提出高安全要求的同时，降低建设成本，实现镍还原钢板的发展已成为镍基低温钢的重要发展方向。 为此，国内外开发了节镍低温钢。 。 近年来，为了降低LNG储罐用钢的生产成本及其对高价镍元素的依赖，高锰奥氏体钢以其低廉的价格和优良的塑性、韧性而备受关注。 目前，国内外钢铁企业和科研院所正在加紧LNG储存和使用用低温高锰钢的开发、工业化生产和应用。
概述
近年来，全球环境问题持续升级，环保法规日趋严格。 目前，国际海事组织（IMO）针对环境保护和海上安全提出了一系列新标准和规定，收紧了船舶污染物排放要求，将船舶SO2排放上限从3.5%降低到0.5%。 为了满足这一要求，一种方法是使用低硫燃料，另一种减少排放的方法是使用液化天然气（LNG）动力船舶。 这意味着未来LNG运输船的订单量将持续增加。 而且，近年来，随着我国空气质量不断下降以及国家对环境保护的高度重视，天然气作为最重要的清洁能源越来越受到人们的关注。 我国天然气消费量逐年大幅增长。 2001年至2015年，我国天然气消费量年均增速超过15%。 2018年，我国天然气表观消费量达到2803亿立方米，同比增长18.1%。 其中，进口量高达1254亿立方米，天然气进口量超过日本成为全球第一大进口国。 预计到2020年，我国天然气表观消费量将达到4100亿立方米，其中进口1400亿立方米。 海上进口液化天然气（LNG）将占进口量的50%，达到700亿立方米。 基于此，我国计划建造200多个特大型液化天然气储罐和60艘左右海上运输船舶。 LNG储运设施总投资近万亿元。 受此影响，未来储运设施关键材料低温钢的需求量将会增加。 将显着增长。
LNG通常储存在-163℃的低温下。 传统可用的材料包括因瓦合金、奥氏体不锈钢和9% Ni 钢。 与奥氏体不锈钢相比，9%Ni钢使用更安全。 随着世界各国LNG储罐不断向大型化发展，相应地，9%Ni钢板的厚度要求也从30mm左右增加到50mm左右，甚至达到100mm的特厚。
近年来，为了降低LNG储罐用钢的生产成本及其对高价镍元素的依赖钢材冷弯实验的指标，开发镍还原钢板已成为镍基低温钢的重要发展方向，
高锰奥氏体钢因其低廉的价格和优异的塑韧性而备受关注。 研究发现，高锰奥氏体低温钢的低温韧性、抗疲劳、耐腐蚀等性能与目前广泛使用的9%Ni钢相当，塑性远优于9%Ni钢，约为9%Ni钢的3倍，其焊接性较好。 这对于提高LNG设施的安全性具有重要意义。 另外，金属锰的价格仅为镍价格的1/10左右，采用高锰钢可显着降低材料制造成本。
传统液化天然气储罐用钢
传统LNG储罐所用钢材为9%Ni钢，该钢最早由INCO开发，并于1952年纳入ASTM A353标准（NNT：两次正火+回火）。 此后，该钢种的生产工艺得到改进，发展成为常用的9%Ni钢——A553 I型钢（QT：淬火+回火），并于1965年列入标准。突破性开发9%Ni钢焊接技术，9%Ni钢已广泛应用于LNG储罐内罐材料。
日本于1964年成立的委员会，以日本焊接协会为首，对9%Ni钢的母材性能、加工性能、焊接特性以及9%Ni钢LNG储罐建造的基本技术进行了研究。 1968年，成功生产出9%Ni钢，并用于建造日本根岸第一座液化天然气储罐。 20世纪80年代，作为美国天然气研究所（GRI）的研究项目，LNG储罐使用的9%Ni钢的安全性在全世界范围内进行了研究和讨论。 在这项研究中，日本成立了一个以LNG储罐业主为首、LNG储罐制造企业和9%镍钢生产厂参与的研究组织。 在经验丰富的专家指导下，对9%Ni钢的脆性裂纹进行了分析。 评估和分析裂纹抑制性。 结果证明9%Ni钢具有足够的抗断裂性能，这意味着9%Ni钢LNG储罐具有较高的安全性。
20世纪90年代以来，全球LNG储罐规模化建设取得了巨大进展。 为有效利用占地面积、降低储罐建设成本，LNG储罐容量由原来的8万立方米发展到14万立方米、18万立方米。 相应地，9%Ni钢板的厚度要求也从30mm左右提高到50mm左右。 厚度的增加导致钢板存在断裂韧性降低的问题。 因此，有必要开发比传统9%Ni钢具有更好的母材和焊接接头低温韧性的厚钢板制造技术。
新日铁和住友金属根据用户对9%Ni厚钢板的需求，开发了新型9%Ni钢厚钢板。 新开发的钢种P、S含量低，纯净度高，同时降低了Si含量，并添加了微量Mo。制造时采用两相区淬火热处理，使开发的钢种母材和焊接接头具有良好的性能。强度和低温韧性。 随后，从多方面对所研制钢材的脆性断裂安全性进行了评价，证实新研制的50mm特厚9%Ni钢板具有足够的安全性。 目前，新日铁和住友金属不仅可以生产用于LNG储罐的特厚9%Ni钢板，还可以生产用于超低温容器的厚度为100mm的超厚9%Ni钢板。
2005年以后，国内如中国、江阴兴诚特钢等公司相继开发出大型低温储罐用9%Ni钢板，并通过了全国锅炉压力容器标准化技术委员会组织的技术审查。 例如，公司与太原理工大学组成研发团队，采用国家“863”科技计划“液化天然气储罐用超低温9%Ni钢开发及应用技术”（项目编号：）作为合作平台，共同开展低温研究。 材质：06Ni9钢实验室研究、工业研发和生产。 取得的研究成果主要包括：1）高镍合金含量低温钢超纯冶金制备技术开发，实现[P]＋[S]＋[H]工业化稳定批量生产＋[N]＋[O]≤、钢中Pb、Bi、Zn等低熔点元素含量极低的06Ni9钢材； 2）开发了06Ni9钢HLH专用连铸工艺技术（高拉速、低过热度、高温矫直）解决超低磷控制问题（钢中P≤0.005%的技术要求）成为国内首个工业化、批量生产的06Ni9钢，具有高洁净度、高均匀性、高密度、内部缺陷少、表面光滑、质量好等特点。 连铸坯； 3）采用钢坯表面保护（针对06Ni9钢开发的适当特殊涂层）和控制轧制技术，自主开发06Ni9钢坯高温加热和抗氧化专有技术，解决高镍钢热轧铁的技术难点除垢； 4)通过控轧及热处理板形控制技术，制备出表面质量好、厚度公差小、板形平直的06Ni9钢板； 5）采用自主研发的06Ni9钢板“低温控轧+回火”“优质热处理（QT）”全流程先进工业化生产技术，生产的钢板产品质量稳定，综合性能优良，特别是良好的低温断裂性能、低温韧性、冷弯性能等均优于国外同类产品； 6）形成06Ni9钢板全流程一体化先进工业制造技术。 是国内首家开发、产业化、大批量制备06Ni9钢板并应用于国家重点工程项目的钢铁企业。 公司低温9Ni%钢的成功开发和应用，结束了国家能源领域急需的低温关键材料完全依赖进口的局面。 不利的情况。
近年来，国内钢铁企业生产的9%Ni钢板已广泛应用于国内LNG储罐。 大连、江苏建设的LNG接收站均采用我公司生产的9%镍钢板。 该公司在唐山曹妃甸建设的LNG接收站，分别使用1999年和1999年生产的9%Ni钢板。 特别是2016年11月在江苏如东LNG接收站投入使用的国内最大的20×104m3预应力混凝土全容式LNG储罐，采用了所生产的9%Ni钢板，彻底打破了国外对9%Ni的限制。 钢板的垄断地位，为未来LNG储罐采用国产9%Ni钢板奠定了坚实的基础。 除山东一期工程的3座LNG储罐外，国内3座LNG接收站均采用河南产的9%Ni钢板。 国产钢板使用率达到75%。 值得一提的是，2019年3月22日起吊的上海LNG接收站两个20×104m3预应力混凝土全容LNG储罐，采用的是上海宝钢生产的9%Ni钢板。 2019年在江苏如东建设的2座20×104m3 LNG储罐和2018年在江苏鸿海能源建设的2座8×104m3双钢壁全封闭LNG储罐均采用江阴兴澄特钢生产的9%Ni钢板。
节镍低温钢的开发
在LNG储运设施用钢安全性要求较高的同时，降低储罐建设成本、实现镍基减薄钢板的发展已成为镍基低温钢的重要发展方向。
3.1 日本无镍低温钢的发展
自20世纪90年代起，新日铁和住友金属就开始了包括TMCP在内的基础研究，并于2010年开发出了含7.1%Ni的LNG储罐钢。 经燃气商业法适用性评价委员会审议后，确定7.1%Ni钢与7%Ni钢具有与9%Ni钢相同的性能。 该钢种于2011年用于日本23万立方米5号LNG储罐。7%Ni钢是9%Ni钢诞生半个世纪后采用的新钢种。 也是LNG储罐业主、制造商、钢厂等采用新技术成功开发的新型钢种。 此后，新日铁和住友金属成功开发出用于LNG储罐的6.3%Ni钢。
新日铁和住友金属新开发的节镍型LNG储罐用钢的化学成分和制造方法如表1所示。由于Ni含量的减少会导致韧性下降，因此钢的化学成分应为在制造过程中应采取优化和提高韧性的措施。 为了保证母材具有良好的韧性，避免回火脆性、保证稳定的奥氏体组织、细化金属组织非常重要。 为此，增加奥氏体生成元素Mn的含量以补偿Ni含量的减少，并且添加Mo。 制造工艺方面，采用直接淬火或控轧与两相区热处理+回火相结合的TMCP工艺。 为保证钢的焊接热影响区具有良好的韧性，降低阻碍渗碳体析出的Si含量，增强等温回火效果，调整Mn、Mo、Cr的添加量优化淬透性，使热影响区组织优化。 采取这些措施，使研制的钢具有与9%Ni钢相同的母材韧性和焊接接头韧性。
新开发的节镍LNG储罐钢已纳入JIS G 3127（低温压力容器用镍钢板），牌号为6.0%-7.5%镍含量。 除成分和制造方法外，其他规定与9%Ni钢()相同。 新开发的钢材于2013年被纳入ASTM标准和ASME标准。ASTM标准中新开发的钢材牌号为ASTM A841 Grade G。除成分和制造方法外，其他规定与9% Ni钢相同（A553 I 型）。 钢中Ni含量与JIS规定相同，为6.0%-7.5%。 另外，在ASTM标准中，钢的强度等级不仅是与传统9%Ni钢相同的9级，而且还有更高强度等级的10级。 2014年11月，新开发的节镍钢被纳入×Q标准。 继大阪首个7%镍钢LNG储罐之后，东邦知多绿滨天然气工厂（爱知县）的3号LNG储罐和相马液化天然气基地（福岛县）的LNG储罐也采用了7%镍钢。 。 第一座7%镍钢LNG储罐——5号LNG储罐于2015年11月底竣工，至今运行顺利。
3.2 国产节镍低温钢的发展
目前，我国已实现LNG储罐用9%镍钢的规模化生产。 产品质量达到国际先进水平，部分指标甚至达到国际领先水平。 但由于我国是“镍贫”国家，每年需要大量进口才能满足国民经济发展的需要，镍金属对外依存度超过60%。 因此，在保证产品质量的基础上，为了降低LNG储罐的建设成本，提高储罐设计和施工的综合竞争力，开发低成本的LNG储罐钢材刻不容缓。 7%Ni钢作为新型低温材料，已被列入国家“十三五”重点研发计划“超低温、严酷环境下低成本容器钢开发与应用项目”腐蚀条件》由东北大学牵头。 南京钢铁承担了LNG节镍储罐用钢的研发和攻关任务。
传统的9%Ni钢一般只含有C、Si、Mn、Ni等主要元素。 降低Ni含量会导致钢的淬透性和强度下降，难以满足性能要求。 为保证节镍钢的强度，提出合理的成分方案，南钢采用6.0%-7.0%Ni的节镍合金设计，与Cr、Mo元素合金化，采用真空感应炉冶炼不同Cr、Mo含量的钢。 低镍钢，添加0.5Cr-0.1Mo时，屈服强度为 ，抗拉强度为 ，达到9%Ni钢的标准要求。
为了获得良好的强度和韧性匹配，9%Ni钢在工业生产中一般采用“淬火+回火”（QT）热处理工艺。 但降低Ni含量会导致钢的韧脆转变温度升高，低温韧性变差。 为了解决低镍钢韧性差的问题，需要改变加工工艺，增加钢板中的逆相变奥氏体含量。 为此，南钢采用“控轧-超快冷-低温淬火-回火”（TULT）短流程生产工艺，开发出5-50mm节镍LNG储罐用钢。 其开发的节镍LNG储罐钢的机械性能、焊接性能和使用性能与9%Ni钢相当，而材料和制造成本分别降低20%和30%。 2019年3月17日，南钢联合东北大学、合肥通用机械研究院等单位联合研制的低温储罐用7%Ni钢板（ASTM A553-t ype IN）顺利通过国家锅炉压力容器标准化技术鉴定董事会技术认证。 当完全满足使用要求时，将节省成本，减少我国LNG储罐建设的投资。
低温高锰钢的研制
近年来，为了降低LNG储罐用钢的生产成本及其对高价镍元素的依赖，高锰奥氏体钢以其低廉的价格和优良的塑性、韧性而备受关注。
4.1 低温高锰钢的发展
早在2010年11月，（POSCO）与世界五大船级社（美国船级社、ABS、法国船级社BV、挪威船级社DNV-GL、韩国船级社、KR、英国劳埃德船级社LR）共同建立了“高锰钢与极低温焊接材料联合开发”项目，旨在积极推动高锰钢的发展，开展其母材和焊缝在室温和低温下的性能研究。 研究。 POSCO新开发的低温高锰钢在完成钢材和焊接材料船级社认证后，于2014年12月通过了韩国国家技术标准院的认证，制定了低温压力容器用奥氏体高锰钢板标准（KSD 30131）以及高锰钢用电弧焊条（KSD 7142）、高锰钢用药芯焊丝（KSD 7143）、高锰钢用埋弧焊丝和焊剂（KSD 7144）等一系列新标准。 经过五年的努力，2015年，POSCO低温高锰钢实现量产，并应用于玉浦造船厂制造的LNG储罐。 2016年，POSCO新开发的高锰钢正式应用于现代尾浦造船公司建造的全球最大LNG动力散货船（5万吨级）的LNG燃料箱。 2017年5月，POSCO开发的低温高锰钢获得美国材料与试验协会（ASTM）标准技术认证。 此前，根据国际海事组织的规定，现有天然气动力船舶的超低温LNG储罐材料只能采用因瓦合金、不锈钢、9%Ni钢等。这也意味着，为了为进一步推广低温高锰钢的应用，有必要注册新的国际技术标准。
为此，POSCO自2015年起与韩国海洋水产部、韩国朝鲜大学、韩国船级社等产学研机构合作，大力推进低温高锰国际技术标准注册钢。 2018年9月，POSCO在IMO举办的第五届货物集装箱运输专业委员会上提出了低温高锰钢安全应用试验，并获得了材料性能的权威认证。 2018年底，在国际海事组织（IMO）伦敦总部举行的第100届海事安全委员会会议上，POSCO研发的低温高锰钢及LNG储罐应用技术被正式注册为国际技术标准。英国。 随着低温高锰钢技术正式实现国际标准化，据悉，最早从今年开始，IMO成员国将正式采用超低温高锰钢作为LNG储罐材料。 近日，POSCO开发的低温高锰钢获得天然气技术标准委员会批准，低温高锰钢正式纳入陆上LNG储罐制造标准KGS AC115。 随着低温高锰钢及相关制造技术逐渐纳入相关标准，浦项制铁计划承接更多LNG相关项目。 预计今年至2030年，预计将向全球890个LNG储罐和4700艘LNG动力船舶供应高锰钢产品。
POSCO全球首创的低温高锰钢可承受-196℃超低温环境的考验，适用于LNG的储存和运输。 这种钢在钢中添加了约 20% 的锰。 其低温韧性、抗疲劳、耐腐蚀等性能与目前广泛使用的9%Ni钢相当，但塑性却远优于9%Ni钢（约为9%Ni钢的3倍） ，具有更好的焊接性和更低的成本。
在韩国，研究团队已开始尝试以此类低温高锰钢为原材料，开发用于造船和海洋设备的钢管产品。 该研究自2017年7月开始实施，由POSCO牵头，多家企业和研究机构参与。 经过两年的前期研究，现已进入产品试制阶段。 同时，作为大用户，也将在第三年正式参与研发阶段。 随着全球环保政策日趋严格，液化天然气作为清洁能源的使用正在推动超低温钢管的需求。 为了替代高成本的不锈钢管产品，研究团队选用高锰钢为原材料，借助埋弧焊（SAW）焊接技术开发大口径焊接钢管产品，并采用拉拔工艺以母管开发小口径钢管产品。 从研发的具体内容来看，元年（2017年）就开发出了高锰钢埋弧焊钢管的基础技术，主要包括卷弯控制技术、板材埋弧焊控制技术、高锰钢板TIG焊控制技术； 第二年（2018年），我们在前期基础技术的基础上，成功开发出20英寸口径高锰钢埋弧焊钢管和3英寸口径高锰钢普通钢管产品。 同时，研究团队也在加速制定高锰钢韩国工业标准KS。 获得KS认证后，将正式实施商业化生产。 截至目前，高锰钢管的埋弧焊、拉拔、锻造等加工技术仍属空白，不利于此类产品在造船和海工装备中的应用。 为了突破这一技术瓶颈，看来有必要开发全尺寸钢管产品。 特别有必要。 随着环保能源LNG的需求增加，为了替代传统产品，抢占市场份额，韩国钢管研发团队还计划进一步优化高锰钢管的埋弧焊和拉拔工艺，开发更多优质钢管产品满足造船和海洋工业的需求。 装备行业需求多元化。
4.2 国内低温高锰钢研发进展
2016年以来，中国、首钢、首钢等国内钢铁企业以及东北大学、钢铁研究总院、北京科技大学、武汉科技大学等高校和科研院所开展了开展高锰奥氏体低温钢的研发工作。 。
为实现高锰钢国产化，推动LNG清洁能源在水上的应用，河钢集团、河钢钢研院经过反复试验探索钢材冷弯实验的指标，终于于2018年11月成功轧制20毫米厚低温船用LNG。 该高锰钢板是国内首个实现工业化生产的船用LNG用低温高锰钢。 成为国内低温高锰钢生产的示范和引领者。 标志着河钢与舞钢在新一代船用LNG低温高锰钢研发方面取得了重大进展。 实现重大突破。 河钢舞钢也成为继韩国浦项制铁之后又一家拥有船用高锰钢生产技术自主知识产权的钢铁生产企业。 随后，河钢舞钢针对高锰钢开展了一系列工艺优化工作。 2019年3月，舞钢生产的不同规格钢板经相关权威机构检测，具有优异的塑韧性。 各项指标远远超过IMO最新要求，达到国际先进水平。 同时，钢板的焊后性能优良。 新一代船用LNG低温奥氏体高锰钢的成功研发，使河钢舞钢具备了为高端客户提供新一代船用LNG储罐用低温钢的能力。
依托国家“十三五”重点研发计划“超低温强腐蚀条件下低成本容器钢的开发与应用（）”，公司与东北大学联合承担研发LNG储罐用高锰钢的研究任务。 在项目组成员的共同努力下，采用20.0%-24.0%Mn的无镍合金设计，开发出LNG储罐用高锰钢，可稳定达到YS＞、TS＞、KV2（-196℃） ）在135-160J原型钢，其焊接性能和使用性能与9%Ni钢相当，而生产成本仅相当于3%-4%Ni钢。 《低温压力容器用高锰钢板》国家标准的申报和起草，为LNG储罐用高锰钢的生产、综合评价和工业应用提供了依据。
配套焊接材料及低温钢筋的开发
自2003年深圳大鹏引进9%Ni液化天然气储罐以来，无论是大型低温储罐用牌号（9%Ni）钢板还是常温储罐用牌号钢板均已全面国产化。 但我们应该清醒地看到，建筑储罐的另一半焊接材料仍然需要进口。 In order to this , at the end of 2017, we to the for the " of Large Tank " and , which was . , a joint team has been with Hefei and Hefei to and of large tank to fill the gap.
At , Mahe has the of high- steel bars at ultra-low (-165°C). Its low- , notch at ultra-low (NSR) and under force (Agt), meet the of LNG . Tank . the key of and the of a full range of low- steel bars. At , Iron and Steel Co., Ltd. has sold more than 7,000 tons of ultra-low- high- steel bars, which have been used in many LNG such as , , and CNOOC Xiuyu, large-scale .
